ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用

ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用

摘要：结合某公路隧道的现场实际施工情况，利用ANSYS有限元分析软件，对隧道开挖引起的地表沉降、围岩应力变化、塑性区变化等进行了计算分析，研究结果对于现场施工起到了一定的指导意义，并值得类似工程的借鉴。

关键字：ANSYS软件；有限元分析；隧道工程

1.引言

隧道工程处于地面以下，岩土的构成复杂，且难于直接观察，而有限元分析则可把数值结果形象化，把内部结构相互作用过程展示出来，有很大的实用价值。诸如隧道开挖过程中较为普遍的塌方冒顶现象，若根据地质勘察，了解场地断层、裂隙和节理的走向与密度，借助于试验方法，可以确定岩石本身的力学性能及岩体夹层和界面的力学特性、强度条件。在此基础上，通过有限元分析可以确定开挖过程中硐室的应力分布、判断硐室是否稳定[4]。隧道开挖有限元计算的重点是评估隧道开挖引起的地面沉降，研究和评估整体和局部结构由此产生的反应，研究施工过程中隧道衬砌和岩土体的相互作用。

2. 工程背景及有限元模型的建立

2.1隧道工程概况

某隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，建筑限界宽度为17.25m，净高5m。左右主线隧道均采用四车道，最大毛洞开挖跨度为19.9m，高度10.838m，项目场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘陵区，地质复杂，施工难度大。隧道左洞全长319m；右洞全长315m。左洞拱顶埋深最大为18.182m，右洞拱顶埋深最大为8.732m，两隧道中心线间距31.37m。隧道左右隧道间距为小净距(最小11m左右)，为特大断面小净距隧道。

图2.1隧道设计断面图

图2.2魁岐隧道出洞口图

2.2材料参数选择

根据已有现场施工、勘察资料，近似将场地分为四类岩土层，最上一层为坡积亚粘土层，其下部分别为强风化花岗岩层、弱风化花岗岩层、微风化花岗岩层。

各岩土层厚度及材料参数分别如表1示。

表1各岩土层厚度及材料参数

隧道初期支护采用锚杆加喷射混凝土支护，锚杆加固围岩形成锚杆加固区，根据经验，该区域内岩石材料参数较加固前提高20%，该分析中将相关参数提高20%用于分析计算。锚杆加固区及初期喷射混凝土、二衬混凝土、均采用面单元进行模拟，隧道分布开挖过程中的钢支架加喷射混凝土支护采用梁单元。相应支护材料材料参数见表2。围岩用摩尔库仑弹塑性本构材料模拟，衬砌材料用弹性材料模拟。

表2隧道支护材料参数

2.3模型的建立

计算边界条件呈梯形状，计算宽度231m，梯形左边计算长度为137m，右边计算长度为13m。为了保证模型在计算过程中不出现整体移动，在梯形左右两侧边界施加水平向位约束移，在下边界施加竖向位移约束。在网格划分处理中，采用映射网格划分与自由网格划分相结合的网格划分方法。相应数值计算几何模型见图2。

图2.3数值模拟计算模型

3. ANSYS计算结果分析

计算采用大型有限元软件ANSYS对隧道断面开挖过程进行了动态模拟，利用ANSYS提供的生死单元来模拟开挖过程，计算隧道整体开挖完成后结构的位移、及应力变化。

3.1沉降位移分析

下面给出了隧道开挖全部完成后引起的水平向位移云图(图4)、竖向位移云图(图5)和第一、三主应力云图(图6、7)。

图3.1水平向位移云图图3.2竖向位移云图

随着隧道的开挖修建，由图5可知：隧道左洞洞顶出现最大沉降位移量，大小为0.510mm。说明围岩情况良好，支护处理合理，很有效的控制了位移的增加。特别是采用锚杆以及稍差地质条件下的管棚超前加固所形成的加固拱圈，大大地降低了地表沉降。同时，隧道右洞埋深较浅，故其沉降较左洞要小一些。地表最大沉降发生在左洞洞顶，其原因是先开挖右隧道，对左侧隧道上方土体产生了一次扰动，再开挖左隧道时，对左侧隧道上方土体产生了二次扰动，而且中墙左侧部位隧道的埋深也比较大，故在该处产生了较大的地表沉降。

水平位移结果显示：隧道左洞右侧侧墙至拱顶段水平向位移为正向最大，大小为0.180mm，左侧侧墙与反底拱交界处出现负向水平位移最大值，大小为0.171mm。分析原因可能是由于左洞埋深较大，偏压较明显，隧道洞径过大引起了较为明显的应力集中现象。

图3.3第一主应力云图图3.4第三主应力云图

3.2应力分析

结合第一、三主应力图6、7可以得出：整个模型断面除隧道周边的多数位置的第一主应力均为0，即这些位置的受力均为压力，不受拉力。在接近洞室的位置处，应力值明显增大，特别是拱顶和拱底处应力最大，且均为拉应力，这是由于隧道开挖所引起的，左洞应力明显大约右洞。拉应力最大值出现在左洞拱底位置，大小为0.607Mpa。

图3.5塑性区分析应力云图

3.3塑性区分析

结合图8可知：整个开挖过程中，隧道内部及周边未出现塑性区，围岩始终

处于弹性状态，受力条件良好。说明采用CRD法施工对围岩的扰动比较小，而且锚杆和管棚超前支护对拱顶围岩的加固效果较好。

3.4隧道间相互作用分析

双线隧道开挖时，后开挖隧道与先开挖隧道之间的相互作用明显[6]，引起临近隧道边墙水平向位移，因此，中间岩柱较窄处应注意采取加固措施。然后通过动态模拟分析。

4.结论

（1）本文采用有限元分析方法对施工全过程进行仿真模拟，可以早于隧道开挖前预先掌握隧道开挖过程中围岩的位移、应力变化规律，以便于监控量测工作中有针对性的制订相应的监测方案，以及对受力不利位置可能发生的不良现象做到心中有数，尽量减少工程事故的发生，以提高生产效率。

（2）在隧道左洞拱顶衬砌与仰拱，尤其是左洞仰拱都存在拉应力，拱顶与仰拱的二次衬砌采用钢筋混凝土是比较合理的。

（3）对于偏压隧道开挖分析后得出，埋深较大的左洞要比埋深较小的右洞在受力与变形上处于更不利状态，施工支护时应适当考虑左洞支护适当加强以适应较大的应力。

（4）由于隧道埋深较浅，且围岩质量较好，隧洞周边与邻近区域未出现明显的塑性区。围岩受力状态良好。

参考文献：

[1] 江见鲸，何放龙，何益斌，陆新征.有限元法及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007

[2] 崔可佳.浅埋城市隧道爆破施工对地表及邻近既有隧道振动影响的研究.重庆:重庆大学，2007.